Изменение климата Земли: в прошлом и в будущем
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Существует пословица о прошлогоднем снеге как о чем-то заведомо ненужном и неинтересном. Однако есть научные работники, которых живо интересует не только прошлогодний снег, но и снег, растаявший миллионы лет назад. Они пытаются выяснить, какой климат был в очень древние эпохи истории Земли. Разработана методика, позволяющая почти в каждой горсти глины найти частицы пыльцы и споры давно исчезнувших растений. Там же находят остатки микроскопических водорослей, рачков и корненожек. Зная условия жизни всех этих организмов, можно судить о климатических условиях прошлого.
В последние годы стали применять еще и физические методы: определяют изотопный состав кислорода, входящего в состав раковин древних организмов; он зависит от температуры воды, в которой эти организмы жили. Все это позволило значительно дополнить и уточнить прежние представления, полученные при изучении скелетов вымерших животных, окаменевших стволов деревьев и отпечатков их листьев. Но такие интересные вещи, к сожалению, удается найти довольно редко.
Итоги работ показывают, что в прошлом климат Земли значительно отличается от современного. На протяжении большей части истории Земли он был лучше, чем теперь. В интервале от 230 до примерно 40 миллионов лет тому назад почти не наблюдалось районов с холодным климатом. Нигде (кроме высоких гор) не было ледников и снегов, моря и океаны не покрывались льдом. Солнце тогда давало столько же тепла, сколько и теперь, но это тепло лучше усваивалось Землей. Теперь 28,5 процента солнечной энергии отражается обратно в мировое пространство; особенно много отражает белая поверхность снегов и льдов. Когда их не было, энергии на Земле оставалось больше.
Около 40 миллионов лет назад покрылась ледниками Антарктида. Постепенно климат становился все более холодным. Примерно 5 миллионов лет назад возник Гренландский ледниковый покров, а 700—800 тысяч лет назад ледники двинулись уже в умеренные широты. С тех пор было несколько периодов, когда лед покрывал огромные пространства и достигал в Северной Америке 40° с. ш., а в Европе — 50° с. ш. Эти периоды разделялись довольно кратковременными эпохами, подобными современной. Конечно, кратковременными эти эпохи можно считать только с точки зрения геологов. 10—15 тысяч лет для них — это очень небольшой срок.
Мы не будем здесь обсуждать причины изменений климата. Нам важно подчеркнуть, что современное состояние природы Земли не является единственно возможным. Изменений климата, которые приведут к похолоданию и засухе или к повышению уровня океана, конечно, нужно постараться избежать. Ну, а если наступит потепление на севере, станет выпадать больше дождей в ныне засушливых районах, а уровень океана не повысится? Такие изменения нужно было бы, конечно, приветствовать; следовало бы постараться, чтобы они произошли быстрее.
Природа прошлого, как бы она ни отличалась от современной, была не менее прекрасной и не менее гармоничной, чем современная природа. Можно ожидать поэтому, что и при будущих изменениях климата гармония природы не будет нарушена.
Вот на какие мысли наталкивают рассуждения о прошлогоднем снеге. Получается, что он — не такая уж бесполезная вещь.
Изменится ли климат?
Этот вопрос мы задаем всегда, когда встречаемся с жарой или холодом, длительной засухой или проливными дождями. Может быть, климат уже начал меняться? Но по одному, даже самому необычному метеорологическому явлению еще нельзя судить об изменении климата. Даже необычная погода за один-два года не означает перемены климата — ведь он представляет собой среднее состояние погоды за 20—30 лет. На протяжении нескольких тысяч лет истории человечества климат менялся только в небольших пределах. Если бы не вмешательство человека, он почти не изменился бы также в ближайшие десятилетия.
В более отдаленном будущем климат, конечно, может стать совершенно другим. Теплый период после окончания оледенения длится уже 10 тысяч лет и, возможно, через 2—3 тысячи лет подойдет к концу — начнется новое оледенение. Ниже мы увидим, что вмешательство человека сможет предотвратить такое развитие событий.
Но вернемся к возможным событиям близкого будущего. Сможет ли человечество воздействовать на климат? Может быть, это воздействие чувствуется уже теперь? Действительно, в больших городах слякоть на улицах бывает тогда, когда за городом лежит снег и можно кататься на лыжах. Но на планетарные климатические процессы влияние человеческой деятельности еще совершенно ничтожно. Пока еще на Земле производится в десять тысяч раз меньше энергии, чем приносят солнечные лучи. Углекислый газ, поступающий в атмосферу в результате сжигания угля, нефти и газа, мог бы вызвать ее нагревание в результате так называемого парникового эффекта. Считается, что стекла парников пропускают солнечные лучи, но задерживают обратное излучение грунта. То же самое делают и молекулы углекислоты, содержащиеся в воздухе. Но только небольшая часть углекислого газа остается в атмосфере — он растворяется в водах океана.
Частицы пыли, которую, к сожалению, человечество производит в огромных количествах (при сжигании угля, при пахоте, при езде по грунтовым дорогам и т. д.), поднимаясь в верхние слои атмосферы, мешают солнечным лучам достигать поверхности Земли. Углекислый газ и пыль действуют в противоположных направлениях — их общее влияние близко к нулю.
В ближайшие десятилетия нельзя ожидать слишком большого увеличения добычи угля, нефти и газа. Подземная добыча угля трудна и не очень выгодна, запасы же нефти и газа ограничены и уже, в сущности, подходят к концу. Основную роль уже сейчас играет ядерная энергетика. Это положит предел увеличению содержания в атмосфере углекислого газа. Едва ли так же существенно возрастет количество пыли — ее и теперь слишком много. Влияние этих двух факторов останется весьма небольшим.
Зато третий фактор — производство энергии,— теперь оказывающий совершенно ничтожное влияние на климат, постепенно выйдет на первый план. В принципе можно предотвратить любое загрязнение окружающей среды — не разбрасывать бумажки и консервные банки, не спускать в реки и моря неочищенные стоки, не выпускать в воздушный океан газы, дым и копоть. Но от так называемого «теплового загрязнения» избавиться невозможно. Нельзя даже уменьшить его. Ведь по закону сохранения энергии она не может исчезнуть, а только переходит из одного состояния в другое. Все виды энергии — механическая, химическая, электрическая и другие — в конце концов, превращаются в тепло, которое рассеивается в нижних слоях атмосферы.
Геофизические расчеты показывают, что каждый процент дополнительного тепла, поступающего на Землю, приводит к повышению ее температуры примерно на один градус. Потепление скажется сильнее в высоких широтах — там уменьшится площадь снегов и морских льдов, белая поверхность которых отражает солнечные лучи. По этой же причине потепление будет гораздо более значительным зимой, чем летом. При потеплении всей Земли в среднем на 1°, зимы северной части умеренных широт могут стать теплее на 3—4°.
Потепление – хорошо это или плохо?
На вопрос, «что такое хорошо и что такое плохо?», не всегда так же легко дать ответ, как в известном всем нам стихотворении. Потепление, которое вызовет человеческая деятельность, конечно, спасет наших отдаленных потомков от угрозы нового оледенения. Но не принесет ли лишнее тепло каких-нибудь непредвиденных бедствий уже в ближайшие годы? Опасаются, что увеличится площадь пустынь, и усилятся засухи, а таяние ледников Антарктиды и Гренландии приведет к повышению уровня океана на несколько десятков метров, то есть к новому «всемирному потопу».
Здравый смысл подсказывает, казалось бы, очевидный вывод — при теплой погоде выпадает мало дождей, когда же холодно, то обычно и сыро. Но в истории науки не раз бывало, что так называемый здравый смысл подводил. Так оказалось и на этот раз. То, что очевидно для колебаний погоды, оказалось совсем неверным для изменений климата (напомним еще раз, что климатом называется среднее состояние погоды за несколько десятков лет). Оказалось, что в геологическом прошлом теплый климат был, как правило, также и влажным, а холодный — сухим.
На протяжении последних 60—70 миллионов лет происходило непрерывное похолодание и одновременно возрастали площади пустынь, степей, саванн и других ландшафтов, свойственных областям с засушливым климатом. В течение последнего миллиона лет чередовались оледенения, во время которых господствовал очень холодный климат, и межледниковья с климатическими условиями, близкими к современным. Оказалось, что во время оледенений (особенно во второй половине ледниковых эпох) климат был весьма засушливым. У самого края ледника простирались ландшафты степного типа. Снега зимой было мало, и даже такие крупные животные, как мамонты и волосатые носороги, могли круглый год питаться травой. Когда наступило потепление и снежный покров стал глубоким, а открытые пространства заросли лесом, мамонты вымерли (правда, в этом им «помог» человек). Вблизи ледников обитали также лошади, быки, бизоны, сайгаки, суслики, сурки, тушканчики и другие степные животные.
Знаменитые наскальные рисунки Сахары долгое время принимались за свидетельство плювиальной (дождливой) эпохи, наступавшей во время оледенения. Теперь же доказано, что они относятся к послеледниковому времени, когда дождей выпадало несколько больше, чем теперь. В ледниковое же время Сахара была гораздо обширнее. Озеро Чад и многие другие озера Африки полностью или частично высыхали. На берегах Средиземного моря на месте сосновых и дубовых лесов простирались полынные степи.
У края ледников находились обширные озера, но они возникали не из-за увеличения влажности климата. Сам ледник, как огромная плотина, преграждал реки, текшие на север. Они выходили из берегов и затопляли большие пространства. Здесь возникает аналогия с постройкой плотин на реках, пересекающих пустыни. Выше Ассуанской плотины на Ниле разлилось крупное водохранилище, хотя этот район — один из самых засушливых в мире.
Воды Северной Двины и Мезени, запруженных ледником, а также ледниковые воды поступали в Каспий, в результате чего его уровень был на 75 см выше современного. Все это происходило в условиях холодного и очень сухого климата.
В периоды, когда климат был теплым, отмечалась также большая влажность. Во время последнего межледниковья, 120—130 тысяч лет назад, температура была выше современной примерно на 4°, и лесостепь доходила до Черного и Азовского морей, почти полностью вытесняя более засушливые степи. 5—8 тысяч лет назад, когда в умеренных широтах было теплее, чем теперь, примерно на 2°, также господствовал относительно влажный климат. Известный палеоботаник В. П. Гричук установил, что в то время в субтропических и тропических широтах было несколько холоднее, чем теперь. О таких благоприятных для человека изменениях климата можно только мечтать.
Расчеты, проведенные в последние годы в Принстонском университете (США), показали, что если бы количество тепла, получаемое Землей, увеличилось на 6 процентов, атмосферные осадки возросли бы на 27 процентов. По-видимому, только в одном районе Земли — на западе Соединенных Штатов — атмосферные осадки увеличиваются при похолодании. Во всех же остальных районах они увеличиваются при потеплении. Итак, тепловое «загрязнение» не грозит засухой; наоборот, климат станет более влажным и более благоприятным для сельского хозяйства и других видов человеческой деятельности. При таких условиях термин «загрязнение» становится неуместным; лучше говорить о тепловой мелиорации.
Всемирного потопа не будет
Ну а как быть с другой опасностью — с новым «всемирным потопом»? По-видимому, и он не грозит нам в обозримом будущем. Ледниковый щит Антарктиды существует уже 38 миллионов лет. Он существовал в периоды, когда климат был гораздо теплее, чем теперь. Гренландия покрыта льдами не менее 3 миллионов лет. Ее ледники также существенно не уменьшались во время потеплений. До недавнего времени считалось, что около 5 тысяч лет назад уровень океана был за счет таяния ледников на 2—3 м выше современного.
Кораллы, росшие при этом уровне на тропических островах, удалось датировать по скорости распада изотопов урана (уран в ничтожных количествах содержится в кораллах). Оказалось, что все береговые линии, находящиеся выше современных, имеют очень древний возраст — 80 тысяч, 120—130 тысяч и более лет назад. Как правило, современная высота этих берегов связана с горообразовательными движениями, а не с повышением уровня океана, вызванным таянием ледников.
Ледниковые щиты образуются, когда накопление снега превосходит его таяние. Под влиянием тяжести вышележащих слоев снег превращается в лед, который в больших объемах становится пластичным и вязким. Достигнув определенной мощности (в центральной Антарктиде она составляет 4 км), лед начинает очень медленно течь, в результате чего ледниковый щит приобретает форму каравая. Это не случайная аналогия — ведь каравай тоже приобретает свою форму в результате вязко-пластического растекания теста. Снег, поступающий на поверхность ледникового щита, питает потоки льда, которые достигают границ ледника и там расходуются на таяние или на образование айсбергов. Объем ледникового щита может уменьшиться только тогда, когда расход льда станет больше накопления снега.
Может ли уменьшиться объем Антарктического ледникового щита? В настоящее время средняя температура самого теплого месяца — января — на побережье Антарктиды составляет минус 4°. Лед там почти не тает, а расходуется только на образование айсбергов. При потеплении на 2—3° никаких существенных изменений не произойдет и объем ледникового щита не уменьшится. При более значительном потеплении (например, на 6°) лед уже начнет таять в прибрежной зоне шириной примерно двадцать километров.
Дальше от берега поверхность льда находится на высоте более 400 м над уровнем моря и там весь год господствовали бы отрицательные температуры. В результате талая вода на побережье будет стекать в океан, а к береговой линии будет поступать меньше льда и меньше образовываться айсбергов. Но на объем щита это существенно не повлияет. Только если объем таяния превысит объем снега (точнее, воды, которая могла бы получиться при таянии снега), выпадающего на поверхность щита, его размеры могли бы начать уменьшаться. Но для этого нужно такое потепление, которого не было уже несколько десятков миллионов лет и нельзя ожидать в будущем при любых масштабах разумной деятельности человечества.
В Гренландии на поверхность льда выпадает за год количество снега, равнозначное 500 км воды. Расход на таяние составляет 300 км, а на образование айсбергов — 200 км. Чтобы оледенение здесь начало уменьшаться, нужно увеличить расход на таяние более чем до 500 км в год. Момент, когда эта величина будет достигнута, и явится, очевидно, той критической точкой, за которой может последовать некоторое (не более чем на несколько метров) повышение уровня океана. Потепление на 1—2° будет гораздо меньше критического.
Можно ли воздействовать на климат и как?
Не в обычаях людей спокойно ждать, когда какие-то изменения произойдут сами собой. Существуют совершенно различные планы воздействия на климат. Сейчас ведется широкая международная кампания по охране окружающей среды от загрязнения. К сожалению, многие ученые считают недопустимым любые изменения современных природных условий; они полагают, что природу можно только ухудшить, но нельзя улучшить. И, конечно, нужно предотвратить предстоящее потепление, которое якобы приведет к засухе и к всемирному потопу.
Какие же меры предлагаются для того, чтобы сохранить существующий климат? Некоторые ученые предлагают прекратить рост производства энергии. Ими выдвигается теория так называемого «нулевого роста», хотя правильнее было бы назвать ее теорией застоя. Эти предложения, конечно, совершенно неприемлемы. Ведь прекратить расширение энергетики — значит положить предел прогрессу человечества. Если уж быть логичным до конца, то не осудить ли тех обезьян, которые взяли в свои лапы первые орудия и превратились в людей? Может быть, лучше было остаться на деревьях? Тогда бы проблема борьбы с загрязнением была идеально разрешена.
Ученый М. И. Будыко исходит из того, что рост производства энергии будет продолжаться. Для того чтобы общее количество энергии, получаемое Землей, оставалось постоянным, он предложил уменьшить количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Выше уже упоминалось о том, что находящиеся в нижних слоях стратосферы пылевые частицы отражают солнечные лучи и тем самым способствуют охлаждению. М. И. Будыко предлагает увеличить количество пылевых частиц. По его расчетам для снижения радиации на один процент нужно ежегодно доставлять самолетами в стратосферу и сжигать там 40 тысяч тонн серы. Образующиеся частицы серной кислоты будут долго не оседать на Землю.
Конечно, любые меры были бы оправданы, чтобы предотвратить экологический кризис и гибель природы. Но сравнение с прошлым показывает, что потепление не грозит никакими бедствиями. Оно приведет к тому, что Северный Ледовитый океан перестанет быть «ледовитым», а будет полностью оттаивать летом, зимой же замерзать только в центральной части. Резко уменьшится влияние холодных воздушных масс на климат умеренных широт. В результате леса смогут расти на месте тундры, а обширные северные районы станут пригодными для земледелия. Особенно большое значение все это будет иметь для Сибири, Канады и Аляски.
Но и в более теплых районах произойдут разительные перемены. Средняя температура января в Париже составляет теперь + 3,2°, а в Лондоне +3,5°. При повышении средней годовой температуры на 1° зимняя температура могла бы возрасти на 3—4°. Тогда в Париже и Лондоне в январе было бы в среднем +6°—1-7°, то есть столько же, сколько теперь в Марселе или в Сочи. Равнины Западной Европы покроются вечнозеленой растительностью.
В Японии сильно увеличится площадь, на которой произрастают субтропические культуры и собирают два урожая риса в год. Уменьшится площадь пустынь. Не исключено, что отпадет нужда в переброске стока сибирских рек в Среднюю Азию или станет возможным сократить объем перебрасываемых вод.
Самым же главным результатом потепления будет то, что климат станет более благоприятным для работы и отдыха — станет лучше в обычном, человеческом смысле слова. Это будет способствовать более равномерному распределению населения по поверхности Земли.
Вместе с тем нельзя забывать о трудностях, которые могут возникнуть при быстрых изменениях климата. Если в тундре появятся условия для произрастания леса, то он сможет вырасти только через несколько сот лет; сначала же тундра покроется зарослями кустарников. Придется не ждать, пока лес вырастет сам, а высаживать его искусственно. Эти трудности вполне преодолимы и, конечно, не могут изменить общей благоприятной картины, которая возникнет при потеплении. В будущем не придется сдерживать рост экономики или создавать облака серной кислоты, заслоняющие Землю от солнечных лучей.
Все сказанное выше относится к потеплению, которое явится побочным результатом развития энергетики и может наступить примерно через сто лет. Но если изменения будут благоприятными, не попытаться ли осуществить их быстрее? В этой связи большой интерес вызывает проект ученого П. М. Борисова. П. М. Борисов предложил реальный способ управления морскими течениями, которые переносят тепло в полярные широты. Как известно, через проливы между северо-западной Европой и Гренландией в Арктику проникает Гольфстрим. Охлажденные воды потом возвращаются через те же проливы! Встречные потоки мешают друг другу, и тепла на север переносится мало. Но если создать для холодных вод другой выход, приток теплых вод увеличится, и в Арктике станет теплее. Таким выходом, по мысли П. М. Борисова, могло бы стать искусственное течение в Беринговом проливе. Это течение гнали бы огромные насосы, спрятанные в тело пересекающей пролив плотины. Потепление Арктики ускорило бы все те благоприятные изменения, о которых говорилось выше.
Безусловно, это пока лишь смелая идея, и прежде чем браться за осуществление проекта П. М. Борисова или любого другого проекта изменения климата, следует научиться рассчитывать состояние атмосферы и океана — современное, прошлое и будущее. Провести такие расчеты — ближайшая цель наук о Земле.
Развитие научных исследований даст возможность уже при жизни нынешнего поколения начать существенное улучшение природы Земли. Необходимо наладить широкое международное сотрудничество по защите и улучшению окружающей среды в интересах всего человечества. Переключение на мирные цели хотя бы части средств, расходуемых теперь в мировом масштабе на военные нужды, позволит быстро осуществить самые грандиозные проекты.
На будущее можно смотреть с оптимизмом. Природа не погибнет. Если с ней обращаться разумно, она станет еще прекраснее. Конечно, при условии, что ударение в этой фразе мы поставим на слове «разумно».
Автор: Д. Квасов, доктор географических наук.